基于物联网的通信电源监控系统的设计

苟志坚，王太宏，张恩迪，游运喜

(1.中国人民解放军95437部队，四川南充637400；2.湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南长沙410082)

基于物联网的通信电源监控系统的设计

苟志坚1,2，王太宏2，张恩迪2，游运喜2

(1.中国人民解放军95437部队，四川南充637400；2.湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南长沙410082)

针对当前通信电源监控系统不够智能、应用不方便的问题，以ARM9为核心处理器，结合Zig Bee无线网络，设计了一个远程监控系统。该系统利用电压和电流互感器采集通信电源输入端的电能质量数据、利用温湿度传感器采集电源环境的温湿度数据，结合红外传感器与图像传感器实现基站进出人员视频图像采集，通过Zig Bee无线传感网络将传感数据传输到服务器，基于B/S模式实现远程实时监控。测试表明，该系统有高可靠、功能实用全面、应用更灵活等优点。

ARM；通信电源；温湿度传感器；红外传感器；图像传感器

我国通信行业发展迅速，通信网络设施设备正在不断地更新换代。基站通信电源担负着通信网络各个节点的供电任务，是通信质量保证的基础，随着通信行业的发展，对其的要求也越来越高[1]。目前我国用于移动通信的基站有数百万个，地域覆盖范围广，多数基站建设在偏远山村，处于无人值守状态，对基站的通信电源进行动态监控非常必要[2]，但传统的通信电源监控系统功能单一、应用范围小，已不能满足日益增长的需求。

当前，监控技术主要以的嵌入式监控为主，服务器搭建有C/S模式[3]和B/S模式[4]两种。物联网是物与物相联接的网络，是互联网的深入，物联网通过各种智能传感器采集信息，感知状态，并结合互联网进行数据、命令等的传输，并根据需要操控各种控制机件[5]。本文结合电能质量传感器、图像传感器、红外传感器、温湿度传感器，利用物联网技术提出了一种对通信电源供电质量、电源环境温湿度和基站进出人员图像监控的多功能智能远程监控系统。与传统通信电源监控系统相比，该系统数据采集更丰富全面、监控操作更方便便捷，应用范围更广泛。

1 系统总体设计

系统总体设计如图1所示。电能质量传感器、红外传感器和温湿度传感器将采集的数据通过Zig Bee无线网络传输到以ARM9为核心的S3C2440处理器上，视频传感器通过有线与S3C2440连接，再在S3C2440上搭建服务器，既实现本地监控中心实时监控，又能与互联网联接，实现用户可以通过任意网络设备进行实时监控。

图1 系统总设计图

2 硬件设计与实现

2.1 ARM处理器硬件构成

ARM处理器是本系统的核心，本系统采用三星公司的S3C2440处理器，它的资源丰富，常被各种应用系统采用[6]。S3C2440可以运行定制的Linux嵌入式操作系统，其硬件组成如图2所示。系统以太网芯片是DM9000A，Zig Bee芯片是TI出产的CC2530；视频传感器是中微星的zc301 USB摄像头。zc301操控便捷，在ARM的操作系统中加载zc301的驱动，通过简单的命令就能对其进行打开、关闭等操控。

图2 S3C2440处理器的硬件框图

2.2 无线传感硬件组成

为了增加系统应用的灵活性，系统的大部分传感器采集的数据都利用由Zig Bee组建的无线网络进行传输。无线传感模块由传感电路模块、处理器模块、CC2530、电源和时钟构成，如图3所示。

图3 Zigbee无线传感网络硬件框图

传感电路负责对目标信息进行采集和调理，并将得到的模拟信号传到处理器进行A/D转换；处理器还控制路由通信、功耗管理、节点运行控制，以保证无线通信畅通；电源负责供电；时钟模块为处理器提供时钟频率；CC2530负责与系统的其他节点通信。

CC2530内置256 kB的高速闪存，8 kB的RAM，具有49 dB的邻道抑制能力，具有5通道通信能力。

2.3 电能质量传感电路

目前，有相当部分的基站处在偏远的山村，其供电质量波动大，配置电能质量传感模块对通信电源输入端进行实时监控非常必要。系统利用电压、电流互感器从通信电源输入端上得到电能质量信号，再将其变换成适合A/D的小信号，对其滤波后再进行A/D转换，再利用DSP对转换的结果进行换算，最后通过Zig Bee模块发送。

该模块的A/D芯片采用功耗低、传输速度高的ADS8364，其具有6路同步采样和16位高速模数转换的能力。DSP采用TI出产的TMS320F2812，其工作频率为150 MHz，有三条数据总线和地址总线，自带18 K RAM，能胜任较复杂的数据处理工作。TMS320F2812与ADS8364的连接电路如图4所示。

图4 TMS320F2812与ADS8364的连接电路图

2.4 温湿度传感电路

系统的温、湿度传感模块选用插针式的DHT91。DHT91模块有A/D转换电路和串行接口电路，实现类I2C协议通信，其测量的精度较高、性能可靠稳定，湿度的测量范围和精度分别为0～100%RH和3.0%RH，温度的测量范围和精度分别为－40～+123.8℃和±0.4℃。其连接电路如图5所示。

图5 DHT91连接电路图

2.5 红外传感器

本系统的红外感应模式为HR-SR501，该模块配置的探头是高灵敏度的LHI778；其典型静态电流为50 μA，功耗低；具有自动光敏控制、自主温度补偿的功能。其连接电路与DHT91连接电路类似。

3 软件设计与实现

系统的软件设计主要包括ARM处理器软件设计、Zig Bee无线传感网络设计、各传感模块软件设计、B/S结构的远程动态网页软件设计。

3.1 ARM处理器软件设计

系统的ARM处理器运行内核版本为2.6.32的Linux操作系统。ARM处理器传感数据收集和上传的运行流程如图6所示。

图6 ARM处理器的运行流程图

将各种传感数据发送到网络是ARM处理器的工作之一，系统采用TCP/IP协议进行数据传输，数据传输程序利用Socket套接字进行开发。

3.2 Zig Bee无线传感网络设计

Zig Bee无线网络具有三种拓扑结构[7]。根据具体应用的不同，系统中的无线传感单元的数量也不一样，所以系统设计必须考虑数据冲撞的情况。系统采用星型拓扑网络结构，ARM处理器模块上的节点定为网络的主节点，其它无线传感单元为从节点。当主节点接到控制命令后，向对应的从节点发送唤醒命令，从节点接到唤醒命令后根据命令进行数据传输或其它操控。该星型拓扑网络结构在有效避免消息碰撞的前提下，具有低功耗的优点。

3.3 电能质量采集

通信电源的输入端的电压和电流都是周期性函数，都满足狄里赫利条件，可对其进行傅里叶分解，从而得出谐波含有率、畸变率和电压电流不平衡度等参数[8]。系统利用TMS320F2812进行傅里叶变换和参数提取。电能质量采集模块运行流程如图7所示。

图7 电能质量采集流程图

3.4 红外感应响应与视频图像采集传输

当人侵入HR-SR501红外感应模块的感应范围内，HR-SR501发生电平转换，通过Zig Bee无线网络传输给ARM处理器，ARM处理器打开视频图像采集设备，捕捉侵入人员视频图像，并储存和发送。视频图像采集设备也可以由本地客户端和远程网页客户端进行开启、关闭等操控。

视频图像采集设备调用Video4linux接口函数实现视频图像捕捉。其流程是在设备初始化完成后分别建立图像采集线程和视频图像传送监听进程。图像数据利用Socket套接字基于TCP协议传输。系统视频图像采集发送可以同时进行。

在本地客户端安装Spcaview显示程序，系统还可以直接将视频图像显示，并具有手动捕捉、运动检测等功能；利用C语言编写鼠标捕捉程序并与web服务器程序配合，具有远程捕捉监控画面功能。

3.5 温湿度采集

DHT91温湿度处理器的工作状态由SCK线和DATA线上的时序控制。其温湿度数据采集流程是收到采集命令后，采集数据，完成后发出“采集完成”信号，然后在网络畅通的情况下将数据传出，然后采集下一组数据。

3.6 Web交互页面设计

系统的服务器采用B/S架构。实现远程用户打开浏览器页面，输入服务器网络地址就可查看各传感设备采集的数据。服务器利用遵循HTTP协议的Boa服务器程序搭建，Boa是支持cgi的单任务嵌入式服务器。通信电源监控的远程访问量小，采用单任务服务器能很好的满足应用要求。

Web用户端采用ajax异步交互与服务器的cgi进程通信。当远程用户提交连接请求，XMLHttpRequest对象将先建立异步通信机制，然后采用get方式将连接请求提交至服务器的cgi函数，同时创建响应函数以处理cgi函数的响应。视频通信利用SwingWorker创建线程，通过套接字实现。

Web页面利用html和applet脚本语言编写，主要有视频监视、温湿度数据显示、电能质量数据显示和操控部件等四部分。Web页面如图8所示，页面右上是日期和时间，右下是操作记录，左边有四个选项供用户选择，分别是：“电能质量”、“温/湿度”、“视频图像”和“控制”。

图8 系统Web监控页面

4 结束语

本文基于物联网技术，设计了一个新型的通信电源监控系统。系统采用S3C2440核心处理部件，搭配TMS320F2812、DHT91、HR-SR501、zc301等芯片实现了电能质量数据采集、温湿度数据采集、图像数据采集等功能；系统利用Zig Bee组建无线网络用于传输各传感模块的数据，避免了传统监控网络的布线工作，应用更加灵活方便；系统还搭建B/S模式服务器实现了远程监测和操控，监控操作更加方便快捷。测试表现，系统功能强大、实用价值高。

[1]王文亮，路一平.基于Web的通信电源监控系统的研究与设计[J].电源技术，2010,34(6):598-599.

[2]邓海丽，刘泽军，刘敏.基于ARM的通信电源监控系统的设计[J].电源技术，2013，37(10):1865-1866.

[3]梁志勇，戴胜华.基于C/S模式的煤矿监控系统的应用研究[J].铁路计算机应用，2011(3):30-34.

[4]刘娇，刘佳欣，唐磊.基于B/S的通信电源监控系统软件设计与实现[J].电源技术，2013(1):136-137.

[5]田钧，龙冬阳.物联网感知行为统一表达模型研究[J].计算机工程与应用，2014,50(1):53-57.

[6]尧平.基于嵌入式Web技术的远程监控系统研究[D].长沙：中南大学，2012.

[7]张国军，郑丽媛，张俊.基于物联网的瓦斯监控系统[J].传感器与微系统，2013，32(1):125-127.

[8]马丽萍，张卫国.基于ZigBee的电能质量监测系统的研究与设计[J].电源技术，2012,36(8):1192-1193.

Design of monitoring system for communication power supply based on Internet of things

GOU Zhi-jian1,2,WANG Tai-hong2,ZHANG En-di2,YOU Yun-xi2
(1.Unit 95437 of the PLA,Nanchong Sichuan 637400,China;2.Key Laboratory for Micro-Nano Optoelectronic Devices of Ministry of Education,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

To overcome the shortcomings of the existing monitoring system for base station communication power supply,a high performance remote monitoring system was designed using the ARM9 processor and Zig Bee.The voltage and current transformers were used to collect quality data of communication power's input;the infrared sensors and image sensors were combined together to get images;the temperature and humidity sensors were also used in the proposed system.Zig Bee wireless sensor network was used to send sensor data to the server;the remote real-time monitoring was realized based on B/S.The test results show that the system has the advantages of high performance,multifunction and high flexibility of application.

ARM;communication power;temperature and humidity sensor;infrared sensor;image sensor

TM 769

A

1002-087 X(2016)08-1686-03

2016-01-06

国家科技支撑计划资助项目(2012BAD35B06)

苟志坚(1986—)，男，四川省人，硕士生，主要研究方向为嵌入式系统及其应用。